《工程材料》課件 項(xiàng)目五：金屬材料的選用

項(xiàng)目五金屬材料的選用一鋼材二鑄鐵三有色金屬及其他材料第一節(jié)

鋼

材一、鋼的分類與牌號（一）鋼的分類

根據(jù)《鋼分類》（GB/T13304—2008）的規(guī)定，鋼的常用分類方法如下。1．按化學(xué)成分分類根據(jù)化學(xué)成分不同，鋼可分為非合金鋼、低合金鋼、合金鋼。表5-1非合金鋼、低合金鋼和合金鋼中合金元素規(guī)定含量界限值（摘自GB/T13304—2008）2．按主要質(zhì)量等級分類按主要質(zhì)量等級不同，非合金鋼可分為普通質(zhì)量非合金鋼、優(yōu)質(zhì)非合金鋼和特殊質(zhì)量非合金鋼；低合金鋼可分為普通質(zhì)量低合金鋼、優(yōu)質(zhì)低合金鋼和特殊質(zhì)量低合金鋼；合金鋼可分為優(yōu)質(zhì)合金鋼和特殊質(zhì)量合金鋼。（二）鋼的牌號1．鋼鐵材料編號的表示方法根據(jù)GB/T221—2008《鋼鐵產(chǎn)品牌號表示方法》規(guī)定，鋼鐵產(chǎn)品牌號通常采用大寫漢語拼音字母、化學(xué)元素符號和阿拉伯?dāng)?shù)字相結(jié)合的方法表示。不同類型鋼及其牌號的表示方法如表5-2所示（詳見課本）。2．鋼鐵牌號統(tǒng)一數(shù)字代號體系國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T17616—2013對鋼鐵及合金產(chǎn)品牌號規(guī)定了統(tǒng)一數(shù)字代號，與現(xiàn)行的GB/T221—2008鋼鐵產(chǎn)品表示方法同時(shí)并用，兩種方法均有效，相互對照。統(tǒng)一數(shù)字代號由固定的6位符號組成，左邊第1位用大寫拉丁字母作前綴（一般不使用“I”和“O”），后接5位阿拉伯?dāng)?shù)字。每個(gè)統(tǒng)一數(shù)字代號只適用于一個(gè)產(chǎn)品牌號。圖5-1統(tǒng)一數(shù)字代號的結(jié)構(gòu)形式二、鋼中的殘存元素和合金元素（一）殘存元素對鋼性能的影響1．錳和硅錳和硅來源于煉鋼原料生鐵和脫氧劑錳鐵、硅鐵等，它們是鋼中的有益元素。錳和硅能溶于鐵素體中產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，提高鋼的強(qiáng)度和硬度。錳具有一定的脫氧和脫硫能力，可減輕硫的有害影響，改善鋼材的加工性能；硅能與鋼液中的FeO生成爐渣，消除其對鋼質(zhì)量的影響。作為雜質(zhì)元素，非合金鋼中，錳、硅的含量分別控制在0.8%和0.5%以下。2．硫和磷硫和磷是在煉鋼時(shí)由礦石和燃料帶入的，在鋼中都是有害元素。在液態(tài)下，鋼中能溶解大量的硫；但在固態(tài)下，鋼與硫幾乎是不溶的。在固態(tài)和液態(tài)下，鋼中都能溶解磷。3．氫、氮和氧鋼在冶煉過程中一般均與空氣接觸，會或多或少地吸收一些氣體，如H2，N2，O2等。高溫時(shí)，鋼液中溶解的氣體量較多；隨著溫度的下降，鋼液溶解氣體的能力急劇下降，多余的氣體便從鋼液中逸出，來不及逸出的氣體則留在鋼中使鋼變脆。（二）合金元素對鋼性能的影響在鋼中加入合金元素，能夠改變鋼的使用性能和工藝性能，得到更優(yōu)良或具有特殊性能的鋼。合金元素對鋼的影響主要有以下幾方面。1．對鋼中基本相的影響通常鋼的基本相為鐵素體和滲碳體，大多數(shù)合金元素的主要存在形式是溶入鐵素體或滲碳體以及形成合金碳化物。1）強(qiáng)化鐵素體大多數(shù)合金元素都能不同程度地溶入鐵素體，引起鐵素體晶格畸變，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用，使鐵素體的強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性下降，如圖5-2所示。（a）對硬度的影響

（b）對韌性的影響圖5-2合金元素對鐵素體力學(xué)性能的影響2）形成碳化物某些合金元素會與碳發(fā)生反應(yīng)形成碳化物，如Fe，Mn，Cr，Mo，W，V，Nb，Zr，Ti等（按與C的親和力由弱到強(qiáng)排列），這些元素稱為碳化物形成元素。而與C親和力很弱，無法形成碳化物的元素，如Ni，Si，Al，Co，Cu等，稱為非碳化物形成元素。當(dāng)碳化物以微細(xì)質(zhì)點(diǎn)分布于基體上時(shí)，會產(chǎn)生彌散強(qiáng)化作用，且合金碳化物有極高的硬度和熔點(diǎn)，可顯著提高鋼的耐磨性和耐熱性。此外，難熔的穩(wěn)定碳化物分布在奧氏體晶界上，可有效地細(xì)化晶粒，改善鋼的性能。2．對Fe-Fe3C相圖的影響1）改變奧氏體區(qū)的范圍添加Mn，Ni，Co，Cu等元素，可使Fe-Fe3C相圖的A3線向左下方移動(dòng)，A1線降低，擴(kuò)大奧氏體單相區(qū)，如圖5-3（a）所示。當(dāng)鋼中含有大量這類元素時(shí)，可在室溫下形成單相奧氏體組織，稱為奧氏體鋼，如Mn13耐磨鋼和06Cr19Ni10奧氏體不銹鋼等。添加Cr，Mo，W，Ti，V，Al，Si等元素，可使Fe-Fe3C相圖的A3線向左上方移動(dòng)，A1線升高，縮小奧氏體單相區(qū)，如圖5-3（b）所示。2）改變S，E點(diǎn)的位置

絕大多數(shù)合金元素均使Fe-Fe3C相圖的S，E點(diǎn)左移。S點(diǎn)左移，表明共析點(diǎn)的含碳量降低。（a）Mn的影響

（b）Cr的影響圖5-3合金元素Mn，Cr對Fe-Fe3C相圖的影響3．合金元素對鋼熱處理的影響1）合金元素對鋼加熱轉(zhuǎn)變的影響合金鋼奧氏體化的基本過程與非合金鋼一樣，也包括晶核的形成、長大及碳化物的溶解和均勻化等過程，而這些過程基本上是由碳的擴(kuò)散來控制的。圖5-4合金元素對C曲線的影響2）合金元素對鋼冷卻轉(zhuǎn)變的影響合金元素（除Co外）固溶于奧氏體中，能不同程度地阻礙碳的擴(kuò)散，使奧氏體穩(wěn)定性增加，C曲線右移，增大鋼的淬透性，如圖5-4（a）所示。Cr，Mo，W等碳化物形成元素，不但可使C曲線右移，還可使C曲線分離成兩個(gè)鼻尖，如圖5-4（b）所示，上部為珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)，下部為貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，兩區(qū)之間的過冷奧氏體有較大的穩(wěn)定性。3）合金元素對鋼回火轉(zhuǎn)變的影響提高回火穩(wěn)定性：鋼在回火時(shí)抵抗軟化的能力稱為鋼的回火穩(wěn)定性或耐回火性。大多數(shù)合金元素（尤其是強(qiáng)碳化物形成元素）對原子擴(kuò)散起阻礙作用，可延緩回火時(shí)的組織轉(zhuǎn)變。產(chǎn)生二次硬化：含有較多W，Mo，V等碳化物形成元素的合金鋼，在回火溫度升高到500～600℃時(shí)，其硬度并不降低，反而升高，這種回火時(shí)硬度升高的現(xiàn)象稱為二次硬化，如圖5-5所示。圖5-5合金鋼的二次硬化示意圖三、非合金鋼非合金鋼價(jià)格低廉，工藝性能好，力學(xué)性能能滿足一般工程和機(jī)械制造的使用要求，是工業(yè)生產(chǎn)中用量最大的工程材料。（一）碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼冶煉簡單，價(jià)格低廉，具有良好的塑性、韌性及焊接性能，但強(qiáng)度不高。碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號、化學(xué)成分、力學(xué)性能及用途如表5-3所示（詳見課本P80）。（二）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼中的有害雜質(zhì)磷、硫受到嚴(yán)格限制，非金屬夾雜物含量較少，塑性和韌性較好，一般須經(jīng)熱處理后使用，主要用于制作較重要的機(jī)械零件。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號、主要成分、熱處理、性能及用途如表5-4所示（詳見課本P81）。（三）碳素工具鋼碳素工具鋼的含碳量為0.65%～1.35%，其成本低，耐磨性和加工性較好，但熱硬性差、淬透性低，只適于制作尺寸不大、形狀簡單的低速刃具，以及對熱處理變形要求低的一般模具和低精度量具等。碳素工具鋼使用前要進(jìn)行熱處理，碳素工具鋼的牌號、化學(xué)成分、熱處理、性能及用途如表5-5所示，（詳見課本P82）。（四）工程用鑄造碳鋼許多形狀復(fù)雜的零件很難通過鍛壓等方法加工成形，使用鑄鐵制造性能又難以滿足要求，此時(shí)可選用鑄鋼件。鑄鋼在重型機(jī)械、運(yùn)輸機(jī)械、國防等部門應(yīng)用較多，如水壓機(jī)橫梁、機(jī)車車架、大型齒輪等。一般工程用鑄造碳鋼件的牌號、化學(xué)成分、力學(xué)性能及用途如表5-6所示，（詳見課本P83）。四、低合金鋼低合金鋼是在非合金鋼的基礎(chǔ)上有目的地加入少量合金元素所形成的鋼。低合金鋼主要包括低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼、低合金耐候鋼和低合金專業(yè)用鋼等。其中，低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的用途最廣、產(chǎn)量最大。低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的碳含量較低，一般小于0.2%，可獲得良好的塑性、焊接性和冷變形能力。鋼中合金元素含量小于3%，常加入的元素有Si，Mn，Ti，Nb，V等。此外，加入少量Cu和P等，可提高鋼的抗腐蝕性能；加入少量稀土元素，可以脫硫、去氣，使鋼材凈化，改善韌性和工藝性能。低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼大多在熱軋空冷狀態(tài)下使用，不需要進(jìn)行專門的熱處理。在有特殊需要時(shí)，如為了改善焊接區(qū)性能，可進(jìn)行一次正火處理。使用狀態(tài)下的顯微組織一般為鐵素體+細(xì)珠光體（索氏體）。低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的牌號、化學(xué)成分、力學(xué)性能及用途如表5-7所示，（詳見課本P85）.五、合金鋼根據(jù)所含主要合金元素不同，合金鋼可分為鉻鋼、鉻鎳鋼、錳鋼、硅鋼和硅錳鋼等；根據(jù)正火或鑄造態(tài)組織不同，合金鋼可分為珠光體鋼、馬氏體鋼、鐵素體鋼、奧氏體鋼和萊氏體鋼等；根據(jù)用途不同，合金鋼可分為合金結(jié)構(gòu)鋼、合金工具鋼和特殊性能鋼。這種分類方法最方便，也最常用。（一）合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼主要用于制造各種工程結(jié)構(gòu)和機(jī)械零件，是合金鋼中用途最廣、用量最大的一類鋼，主要包括合金滲碳鋼、合金調(diào)質(zhì)鋼、合金彈簧鋼、軸承鋼等。合金滲碳鋼是經(jīng)過滲碳處理后使用的低碳合金結(jié)構(gòu)鋼，具有“面硬、心韌、耐磨”的特點(diǎn)，主要用于制造汽車、拖拉機(jī)中的變速齒輪，內(nèi)燃機(jī)上的凸輪軸、活塞銷等機(jī)器零件。1．合金滲碳鋼1）成分特點(diǎn)合金滲碳鋼的含碳量較低，一般為0.1%～0.25%，可保證零件心部有足夠的塑性和韌性。常加入Cr，Ni，Mn，B等合金元素，其作用是提高淬透性，使鋼經(jīng)滲碳、淬火后心部得到低碳馬氏體組織，以提高心部的強(qiáng)度和韌性。2）熱處理特點(diǎn)合金滲碳鋼的熱處理工藝一般都是滲碳后直接淬火，再低溫回火。對滲碳時(shí)容易過熱的鋼，如20Cr，20Mn2等，滲碳之后需先正火，以消除過熱組織，然后再進(jìn)行淬火、低溫回火。3）常用鋼種低淬透性滲碳鋼：含合金元素較少，淬透性低，心部強(qiáng)度較低，主要用于受沖擊力較小、截面尺寸不大的耐磨件。中淬透性滲碳鋼：具有良好的力學(xué)性能和工藝性能，淬透性較高，常用于制造承受高速、中載，要求抗沖擊和耐磨損的零件。高淬透性滲碳鋼：含有較多的Cr，Ni等合金元素，淬透性高，甚至空冷也能得到馬氏體組織，心部具有很好的韌性，特別是低溫沖擊韌性，主要用于制造承受重載荷、要求高強(qiáng)韌性和耐磨性的大型零件。2．合金調(diào)質(zhì)鋼合金調(diào)質(zhì)鋼是經(jīng)調(diào)質(zhì)后使用的合金鋼。經(jīng)調(diào)質(zhì)后，這類鋼具有良好的綜合力學(xué)性能，廣泛用于制造汽車、拖拉機(jī)、機(jī)床和其他機(jī)器上的各種重要零件，如齒輪、軸類件、連桿、螺栓等。1）成分特點(diǎn)合金調(diào)質(zhì)鋼的含碳量一般為0.25%～0.5%，以0.4%居多，即中碳。含碳量過低，不易淬硬，回火后強(qiáng)度不夠；含碳量過高，則韌性不足。2）熱處理特點(diǎn)合金調(diào)質(zhì)鋼在鍛造成形后，會產(chǎn)生應(yīng)力及組織缺陷。為改善鋼的切削加工性能，細(xì)化晶粒，并為最終熱處理做好準(zhǔn)備，在粗加工前，應(yīng)進(jìn)行預(yù)備熱處理。當(dāng)原始組織為珠光體時(shí)，預(yù)備熱處理可采用正火或退火；當(dāng)原始組織為馬氏體時(shí)，預(yù)備熱處理可采用正火+高溫回火。對于不僅要求有良好的綜合力學(xué)性能，而且要求局部表面具有高硬度、高耐磨性的零件，可在調(diào)質(zhì)后進(jìn)行感應(yīng)加熱表面淬火或氮化處理。3）常用鋼種按淬透性高低，合金調(diào)質(zhì)鋼可分為低淬透性調(diào)質(zhì)鋼、中淬透性調(diào)質(zhì)鋼和高淬透性調(diào)質(zhì)鋼三類。低淬透性調(diào)質(zhì)鋼：含合金元素較少，淬透性低，經(jīng)調(diào)質(zhì)后，強(qiáng)度比碳鋼高，工藝性能較好，廣泛用于制造一般尺寸的重要零件。中淬透性調(diào)質(zhì)鋼：含合金元素較多，淬透性較高，調(diào)質(zhì)后強(qiáng)度高，主要用于制作截面較大、承受較大載荷的零件。高淬透性調(diào)質(zhì)鋼：多數(shù)含有Cr，Ni兩種合金元素，淬透性高，調(diào)質(zhì)后強(qiáng)度和韌性好，主要用于制作截面較大、承受重載荷的重要零件。常用合金調(diào)質(zhì)鋼的牌號、化學(xué)成分、熱處理、性能及用途如表5-9所示，（詳見課本P88）。3．合金彈簧鋼合金彈簧鋼是一種專用結(jié)構(gòu)鋼，主要用于制造各種彈簧和彈性元件。1）成分特點(diǎn)為了保證高的彈性極限和疲勞強(qiáng)度，合金彈簧鋼的含碳量一般為0.45%～0.7%。含碳量過高，會使塑性、韌性下降，疲勞強(qiáng)度也會降低。2）熱處理特點(diǎn)（1）熱成形彈簧。當(dāng)彈簧直徑或板簧厚度大于10mm時(shí)，常采用熱態(tài)下成形，即將彈簧鋼加熱至比正常淬火溫度高50～80℃進(jìn)行熱卷成形，然后利用余熱淬火，再進(jìn)行中溫回火，獲得回火托氏體，其硬度為40HRC～48HRC，具有較高的彈性極限、疲勞強(qiáng)度和一定的塑性與韌性。（2）冷成形彈簧。當(dāng)彈簧直徑或板簧厚度小于10mm時(shí)，常采用冷拉彈簧鋼絲成形。按制造工藝不同，冷拉彈簧鋼絲可分為以下三種。鉛淬冷拉鋼絲：將鋼絲坯料奧氏體化后，在熔鉛中保溫，獲得索氏體，然后經(jīng)多次冷拔至所需直徑。鋼絲冷卷成彈簧后，只進(jìn)行一次200～300℃低溫去應(yīng)力退火即可。油淬回火鋼絲：將鋼絲冷拔至規(guī)定尺寸后，進(jìn)行油淬和中溫回火，冷卷成彈簧后，進(jìn)行一次200～300℃低溫去應(yīng)力退火即可。退火鋼絲：此種鋼絲是在退火狀態(tài)供應(yīng)的。鋼絲經(jīng)冷卷成彈簧后，應(yīng)進(jìn)行淬火和中溫回火。3）常用鋼種常用彈簧鋼的牌號、化學(xué)成分、熱處理、力學(xué)性能及用途如表5-10所示，（詳見課本P91）。其中，60Si2Mn鋼是性價(jià)比高、最常應(yīng)用的合金彈簧鋼；50CrVA鋼淬透性高，主要用于大截面、承受重載荷及工作溫度較高的閥門彈簧。4．軸承鋼軸承鋼主要用于制造滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)體（滾珠、滾柱、滾針）和內(nèi)、外套圈等，屬于專用結(jié)構(gòu)鋼。滾動(dòng)軸承工作時(shí)承受很大的局部交變載荷，滾動(dòng)體與套圈間接觸應(yīng)力極大，軸承工作表面易產(chǎn)生接觸疲勞破壞和磨損。因此，要求軸承鋼具有高的硬度、耐磨性、彈性極限和接觸疲勞強(qiáng)度，足夠的韌性和耐蝕性。1）成分特點(diǎn)為了保證高硬度、高耐磨性和高強(qiáng)度，軸承鋼的含碳量較高，一般為0.9%～1.10%。軸承鋼中的主要合金元素為Cr，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%～1.65%。Cr可提高鋼的淬透性，并使鋼熱處理后形成細(xì)小、彌散分布的合金滲碳體，提高鋼的耐磨性、強(qiáng)度、接觸疲勞強(qiáng)度。軸承鋼對P，S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求很嚴(yán)格，因?yàn)樗鼈兊拇嬖跁档弯摰钠趶?qiáng)度，影響軸承的使用壽命。2）熱處理特點(diǎn)軸承鋼的熱處理工藝主要為球化退火、淬火和低溫回火。球化退火為軸承鋼的預(yù)先熱處理，它不僅可以降低鍛造后鋼的硬度，以利于切削加工，而且為零件的最終熱處理做好組織準(zhǔn)備。淬火和低溫回火是軸承鋼的最終熱處理，其淬火溫度要求十分嚴(yán)格。對于精密軸承，必須保證在長期存放和使用中不變形。3）常用鋼種常用軸承鋼的牌號、化學(xué)成分、退火硬度及用途如表5-11所示（詳見課本P93）。其中，GCr15的使用量最大。它多用于制造中、小型軸承，也常用來制造冷沖模、量具和絲錐等。（二）合金工具鋼合金工具鋼專門用于制造各種加工工具，按用途可分為合金刃具鋼、合金模具鋼和合金量具鋼等。1．合金刃具鋼合金刃具鋼主要用于制造各種金屬切削刀具，如車刀、銑刀、鉆頭等。刃具工作時(shí)，刃部與切屑、毛坯間產(chǎn)生強(qiáng)烈摩擦，使刃部磨損，并產(chǎn)生高溫；此外，刃具還承受一定的沖擊和振動(dòng)。因此，對刃具要求具有高的硬度、耐磨性、熱硬性、足夠的塑性和韌性等。合金刃具鋼主要分為低合金刃具鋼和高速鋼兩類。1）低合金刃具鋼低合金刃具鋼主要用于低速切削，工作溫度一般不超過300℃，常用于制造截面較大、形狀復(fù)雜、切削條件較差的刃具，如搓絲板、絲錐、板牙等。（1）成分特點(diǎn)。低合金刃具鋼是在碳素工具鋼的基礎(chǔ)上加入少量合金元素形成的，其含碳量為0.75%～1.5%，以保證鋼的高硬度和耐磨性。（2）熱處理特點(diǎn)。低合金刃具鋼的加工過程是球化退火→機(jī)加工→淬火和低溫回火。淬火溫度應(yīng)根據(jù)工件形狀、尺寸及性能要求嚴(yán)格控制，一般都要預(yù)熱。（3）常用鋼種。常用低合金刃具鋼的牌號、化學(xué)成分、熱處理、性能及用途如表5-12所示（詳見課本P94）。其中，9SiCr鋼應(yīng)用最廣泛，它具有高的淬透性和回火穩(wěn)定性，使用溫度可達(dá)250～300℃，可用于制造各種低速切削的刃具，如板牙、絲錐等，也常用作冷沖模。2）高速鋼高速鋼用于高速切削，工作溫度可高達(dá)500～600℃。高速鋼的熱硬性和耐磨性均優(yōu)于碳素工具鋼和低合金刃具鋼，應(yīng)用廣泛。（1）成分特點(diǎn)。高速鋼的含碳量較高，一般為0.70%～1.50%，以保證獲得高碳馬氏體和形成足夠的合金碳化物，提高鋼的硬度、耐磨性和熱硬性。（2）熱處理特點(diǎn)。①退火。高速鋼的預(yù)備熱處理是球化退火，其目的是降低硬度，以便于切削加工，并為淬火做好組織準(zhǔn)備。②淬火和回火。高速鋼的導(dǎo)熱性差，為減小淬火加熱時(shí)的熱應(yīng)力，防止變形和開裂，必須在800～850℃預(yù)熱，待整個(gè)工件截面上的溫度均勻后，再加熱到淬火溫度。高速鋼淬火、回火后的組織為回火馬氏體+粒狀碳化物+少量殘余奧氏體，其硬度為63HRC～65HRC。（3）常用鋼種。常用高速鋼的牌號、化學(xué)成分、熱處理、性能及用途如表5-13所示（詳見課本P95）。其中最重要的有兩種，一種是鎢系W18Cr4V鋼，另一種是鎢-鉬系W6Mo5Cr4V2鋼。兩種鋼的組織、性能相似，其各自的主要特點(diǎn)是：W18Cr4V鋼的熱硬性較好，熱處理時(shí)的脫碳和過熱傾向性較?。籛6Mo5Cr4V2鋼的耐磨性、高溫塑性和韌性較好。2．合金模具鋼合金模具鋼主要用來制造各種模具。按使用條件不同，合金模具鋼可分為冷作模具鋼、熱作模具鋼和塑料模具鋼等。1）冷作模具鋼冷作模具鋼用于制造冷沖模、冷鐓模、冷擠壓模、拔絲模等。這類模具工作時(shí)，因坯料冷態(tài)下的變形抗力大，模具要承受很大的載荷和沖擊、摩擦作用，工作溫度一般低于200℃，主要失效形式有磨損、變形和斷裂。（1）成分特點(diǎn)。冷作模具鋼的含碳量高，多在1.0%以上，有時(shí)達(dá)2.0%，以保證高硬度和高耐磨性。（2）熱處理特點(diǎn)。冷作模具鋼的熱處理有一次硬化法和二次硬化法。一次硬化法是在較低溫度（950～1000℃）下淬火，然后低溫（150～180℃）回火，可使鋼的硬度達(dá)到61HRC～64HRC，且具有較好的耐磨性和韌性，適用于重載模具。二次硬化法是在較高溫度（1100～1150℃）下淬火，然后于510～520℃多次回火（一般為三次），產(chǎn)生二次硬化，使硬度達(dá)60HRC～62HRC，熱硬性和耐磨性較高，但韌性較差，適用于在400～450℃下工作的模具。（3）常用鋼種。常用冷作模具鋼的牌號、化學(xué)成分、熱處理、性能及用途如表5-14所示（詳見課本P96）。大部分要求不高的冷作模具可用9Mn2V，9SiCr，CrWMn鋼等制造。大型冷作模具用Cr12型鋼，目前應(yīng)用最普遍、性能較好的為Cr12MoV鋼。它的熱處理變形很小，適合于制造重載荷、形狀復(fù)雜的模具。2）熱作模具鋼熱作模具鋼用于制造熱鍛模、熱擠壓模、壓鑄模等。這類模具工作時(shí)受到強(qiáng)烈摩擦，并承受較高溫度（600℃以上）和大的沖擊力，另外，模膛受熾熱金屬和冷卻介質(zhì)的交替反復(fù)作用產(chǎn)生熱應(yīng)力，易龜裂（即熱疲勞）。（1）成分特點(diǎn)。熱作模具鋼為中碳鋼，含碳量一般為0.3%～0.6%，以保證高強(qiáng)度、高韌性、較高的硬度（35HRC～52HRC）和熱疲勞抗力。（2）熱處理特點(diǎn)。熱作模具鋼主要可分為熱鍛模鋼和熱壓模鋼。熱鍛模鋼的熱處理與調(diào)質(zhì)鋼相似，淬火后高溫（550℃左右）回火，組織為均勻的回火索氏體（或回火托氏體）。（3）常用鋼種。常用熱作模具鋼的牌號、化學(xué)成分、熱處理、性能及用途如表5-15所示（詳見課本P97）。5CrNiMo，5CrMnMo鋼是最常用的熱作模具鋼，它們具有較高的強(qiáng)度、韌性和耐磨性，優(yōu)良的淬透性及良好的抗熱疲勞性，常用來制造各種熱作模具。3）塑料模具鋼塑料模具鋼是指制造塑料模具用的鋼種。塑料制品的成形過程是在加熱（150～250℃）、加壓（40～200MPa）條件下完成的。工作時(shí)，模具持續(xù)受熱、受壓，并受到一定程度的摩擦和有害氣體的腐蝕。因此，塑料模具鋼應(yīng)具備以下性能：200℃時(shí)具有足夠的強(qiáng)度和韌性，較高的耐磨性和耐蝕性，良好的加工性、拋光性、焊接性及熱處理工藝性能。3．合金量具鋼合金量具鋼用于制造各種測量工具，如卡尺、千分尺、螺旋測微儀、塊規(guī)、塞規(guī)等。量具在使用過程中，要求測量精度高，其主要受摩擦、磨損，承受外力很小，因此，合金量具鋼應(yīng)具有高硬度、高耐磨性和良好的尺寸穩(wěn)定性。1）成分特點(diǎn)量具鋼的成分與低合金刃具鋼相同，為高碳（0.75%～1.50%），并加入提高淬透性的元素，如Cr，W，Mn等。2）熱處理特點(diǎn)量具鋼熱處理的主要問題是保證尺寸穩(wěn)定性。因此，在淬火和低溫回火時(shí)應(yīng)采取措施提高組織的穩(wěn)定性。3）常用鋼種量具鋼沒有專用鋼。精度較低、尺寸較小、形狀簡單的量具，可采用T10A，T12A鋼制作，經(jīng)淬火、低溫回火后使用；或用50，60，65Mn鋼制作，經(jīng)高頻感應(yīng)淬火后使用；也可以用15，20鋼制作，經(jīng)滲碳、淬火、低溫回火后使用。（三）特殊性能鋼特殊性能鋼是指具有某些特殊的物理、化學(xué)、力學(xué)性能的鋼種。工程中常用的特殊性能鋼包括不銹鋼、耐熱鋼和耐磨鋼等。1．不銹鋼不銹鋼是不銹鋼和耐酸鋼的總稱，常簡稱為不銹鋼。不銹鋼是指在大氣或弱腐蝕性介質(zhì)（如水蒸氣等）中能夠抵抗腐蝕的鋼；而耐酸鋼是指在強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)（酸、堿、鹽）溶液中能夠抵抗腐蝕的鋼。由此看來，不銹鋼不一定耐酸，而耐酸鋼則一般都具有良好的耐蝕性能。1）成分特點(diǎn)大多數(shù)不銹鋼的碳含量不大于0.20%。對于用來制造刃具的不銹鋼，其碳含量則較高，一般為0.85%～0.95%。通常碳含量越低，耐蝕性越好。Cr是不銹鋼中最主要的合金元素，Ni，Mo，Mn等也能提高鋼的耐蝕性。2）不銹鋼的分類及熱處理按組織不同，不銹鋼可分為馬氏體型、鐵素體型、奧氏體型、奧氏體-鐵素體型和沉淀硬化型五種。（1）馬氏體型不銹鋼。馬氏體型不銹鋼的含碳量為0.08%～1.2%，含鉻量為11.5%～19%，屬于鉻不銹鋼。它有足夠高的耐蝕性，但因只用鉻進(jìn)行合金化，故只在氧化性介質(zhì)中耐蝕，在非氧化性介質(zhì)中不能達(dá)到良好的鈍化，耐蝕性較低。（2）鐵素體型不銹鋼。鐵素體型不銹鋼的含碳量低于0.12%，含鉻量為11.5%～32%，屬于鉻不銹鋼，為單相鐵素體組織，加熱時(shí)組織無明顯變化，故不能用熱處理強(qiáng)化，通常在退火狀態(tài)下使用。這類鋼耐酸蝕，高溫抗氧化性、塑性和焊接性好，但強(qiáng)度低，有脆化傾向，主要用于制造要求耐蝕性高、強(qiáng)度不高、在氧化性腐蝕介質(zhì)中工作的構(gòu)件，如化工設(shè)備的容器和管道、硝酸和氮肥工業(yè)中的耐蝕件等。（3）奧氏體型不銹鋼。奧氏體型不銹鋼的含碳量很低，為0.03%～0.15%，含鉻量為15%～26%，含鎳量為3.50%～22%，屬于鎳鉻不銹鋼。這類鋼無磁性，塑性、韌性和耐蝕性高于Cr13型不銹鋼，但強(qiáng)度、硬度低，可利用冷塑性變形進(jìn)行強(qiáng)化。（4）奧氏體-鐵素體型雙相不銹鋼。奧氏體-鐵素體型雙相不銹鋼是近年來發(fā)展起來的新型不銹鋼，其中奧氏體和鐵素體相約各占50%，最低相比例應(yīng)大于30%。（5）沉淀硬化型不銹鋼。這類鋼的常用牌號為07Cr17Ni7Al，該鋼加熱到1000～1100℃，使沉淀化合物溶解于奧氏體，水淬后獲得馬氏體，然后重新加熱到510℃進(jìn)行時(shí)效，析出極細(xì)的沉淀化合物產(chǎn)生強(qiáng)化作用。2．耐熱鋼耐熱鋼是指高溫下具有高的熱穩(wěn)定性和熱強(qiáng)性的特殊性能鋼。熱穩(wěn)定性是指抗氧化性，即鋼在高溫下對氧化作用的穩(wěn)定性。熱強(qiáng)性是指鋼在高溫下對外力的抵抗能力。1）成分特點(diǎn)耐熱鋼的含碳量一般不高，以防C和Cr形成碳化物，產(chǎn)生晶間腐蝕。耐熱鋼中不可缺少的合金元素是Cr，Si，Al，特別是Cr。2）耐熱鋼的分類及熱處理按組織不同，耐熱鋼可分為奧氏體型、鐵素體型、馬氏體型和沉淀硬化型四種。（1）奧氏體型耐熱鋼。奧氏體型耐熱鋼中含有較多的奧氏體穩(wěn)定化元素Ni，經(jīng)固溶處理后組織為奧氏體。這類鋼的熱穩(wěn)定性和熱強(qiáng)性都比鐵素體型和馬氏體型耐熱鋼高，工作溫度為650～900℃，常用于制造一些比較重要的零件，如燃?xì)廨啓C(jī)輪盤和葉片、排氣閥、爐用零件等。（2）鐵素體型耐熱鋼。鐵素體型耐熱鋼的主要合金元素是Cr，Cr會擴(kuò)大鐵素體區(qū)，通過退火可得到鐵素體組織。這類鋼強(qiáng)度不高，但耐高溫氧化，常用于油噴嘴、爐用部件、燃燒室等。（3）馬氏體型耐熱鋼。馬氏體型耐熱鋼中含有大量的Cr，熱穩(wěn)定性及熱強(qiáng)性均較高，淬透性也很好。（4）沉淀硬化型耐熱鋼。沉淀硬化型耐熱鋼經(jīng)固溶處理加時(shí)效后抗拉強(qiáng)度可超過1000MPa，是耐熱鋼中強(qiáng)度最高的一類鋼，可用于制造高溫彈簧、膜片、波紋管、燃?xì)馔钙桨l(fā)動(dòng)機(jī)部件等。3．耐磨鋼耐磨鋼是指具有高耐磨性的鋼種，主要用于工作過程中承受高壓力、嚴(yán)重磨損和強(qiáng)烈沖擊的零件，如坦克和車輛履帶板、挖掘機(jī)鏟斗、破碎機(jī)顎板和鐵軌分道岔、防彈板等。高錳鋼是目前最主要的耐磨鋼。1）成分特點(diǎn)耐磨鋼的含碳量一般較高，為1.0%～1.3%，以保證鋼的耐磨性和強(qiáng)度。2）熱處理特點(diǎn)由于高錳鋼極易產(chǎn)生加工硬化，切削加工困難，故大多數(shù)高錳鋼零件是采用鑄造成形的。高錳鋼的鑄態(tài)組織基本上由奧氏體和殘余碳化物組成。工件在工作中受力不大時(shí)，高錳鋼的耐磨性發(fā)揮不出來。常用高錳鋼的牌號、化學(xué)成分、性能及用途如表5-16所示（詳見課本P101）。第二節(jié)鑄

鐵一、概述鑄鐵是以Fe，C和Si為主要合金元素的復(fù)雜多元合金，是現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用最多的鑄造材料。鑄鐵的抗拉強(qiáng)度較低，塑性和韌性較差，不能進(jìn)行鍛造，但它具有良好的鑄造性和可加工性，抗壓強(qiáng)度高，減振和減摩性能好，且制造容易，價(jià)格便宜，因而在工業(yè)上應(yīng)用廣泛，可以用來制造各種機(jī)器零件，如機(jī)床的床身、床頭箱，發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸體、缸套、活塞環(huán)、曲軸、凸輪軸等。（一）鑄鐵的分類鑄鐵中的碳主要以化合態(tài)的滲碳體和游離態(tài)的石墨（G）形式存在。根據(jù)碳在鑄鐵中存在的形式不同，鑄鐵可分為以下三類。白口鑄鐵：碳主要以滲碳體的形式存在，斷口呈白亮色。這類鑄鐵硬度高、脆性大、難以切削加工，只適于制造少數(shù)要求硬度高、耐磨的零件。如軋輥、犁鏵等?；铱阼T鐵：碳主要以石墨形式存在，斷口呈灰色。工業(yè)上所有應(yīng)用的鑄鐵幾乎都屬于這類鑄鐵。麻口鑄鐵：碳部分以滲碳體的形式存在，部分以石墨的形式存在，斷口呈黑白相間的麻點(diǎn)狀。由于麻口鑄鐵的性能不好，故工業(yè)上應(yīng)用極少。灰口鑄鐵按石墨的形態(tài)不同，又可分為以下四種。灰鑄鐵：碳主要以片狀石墨的形式存在，其力學(xué)性能不好，但生產(chǎn)工藝簡單，成本低廉，工業(yè)上應(yīng)用最廣。球墨鑄鐵：碳主要以球狀石墨的形式存在，其力學(xué)性能較好，還可通過熱處理進(jìn)一步提高力學(xué)性能，且生產(chǎn)工藝比可鍛鑄鐵簡單，故得到了廣泛應(yīng)用?？慑戣T鐵：碳主要以團(tuán)絮狀石墨的形式存在，其力學(xué)性能好于灰鑄鐵，但生產(chǎn)工藝較復(fù)雜，成本高，故只用來制造一些重要的小型鑄件。蠕墨鑄鐵：碳主要以蠕蟲狀石墨的形式存在，其強(qiáng)度和塑性介于灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間，但鑄造性、耐熱疲勞性比球墨鑄鐵好，因此可用來制造大型復(fù)雜的鑄件及在較大溫度梯度下工作的鑄件。（二）鑄鐵的石墨化及其影響因素鑄鐵的組織取決于石墨化的程度。石墨化是指鑄鐵中碳原子析出形成石墨的過程。石墨既可以從液體中結(jié)晶出來，也可以從奧氏體中析出，還可以由滲碳體分解得到。影響石墨化的主要因素有鑄鐵的化學(xué)成分和冷卻速度。促進(jìn)石墨化的元素有C，Si，Al，Cu，Co等，其中以C，Si最強(qiáng)烈。鑄鐵緩慢冷卻時(shí)，有利于碳原子的擴(kuò)散，可促進(jìn)石墨化，容易產(chǎn)生灰口鑄鐵組織。二、常用鑄鐵（一）灰鑄鐵灰鑄鐵是價(jià)格便宜、應(yīng)用最廣泛的鑄鐵材料。在各類鑄鐵的總產(chǎn)量中，灰鑄鐵約占80%。1．灰鑄鐵的成分、組織和性能灰鑄鐵的顯微組織相當(dāng)于在鋼基體上分布著片狀石墨。根據(jù)基體組織不同，灰鑄鐵可分為鐵素體灰鑄鐵、鐵素體+珠光體灰鑄鐵和珠光體灰鑄鐵三種，如圖5-6所示。（a）鐵素體灰鑄鐵

（b）鐵素體+珠光體灰鑄鐵

（c）珠光體灰鑄鐵圖5-6灰鑄鐵的顯微組織片狀石墨的存在使灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度明顯低于碳鋼，塑性、韌性接近于零。石墨越多、越粗大、分布越不均勻，灰鑄鐵的強(qiáng)度、塑性、韌性就越低。但灰鑄鐵的抗壓強(qiáng)度主要取決于基體組織，與石墨的存在基本無關(guān)，其抗壓強(qiáng)度與鋼相近，因此，灰鑄鐵主要用于制造受壓件。2．灰鑄鐵的孕育處理為提高灰鑄鐵的力學(xué)性能，生產(chǎn)中常采用孕育處理，即在澆注前向鐵液中加入一定量的孕育劑（硅鐵、硅鈣合金），通過這些大量高度彌散的人工晶核，獲得細(xì)珠光體基體和細(xì)小均勻分布的片狀石墨組織。3．灰鑄鐵的熱處理由于熱處理不能改變石墨的形態(tài)和分布，對提高灰鑄鐵的力學(xué)性能作用不大，因此，灰鑄鐵的熱處理主要用來消除鑄件內(nèi)應(yīng)力和白口組織，改善切削加工性能，提高表面硬度和耐磨性等。1）去應(yīng)力退火鑄件的內(nèi)應(yīng)力會導(dǎo)致鑄件變形或出現(xiàn)裂紋，因此，對于大型、復(fù)雜鑄件或精度要求較高的鑄件，如機(jī)床床身等，在切削前須進(jìn)行去應(yīng)力退火。退火方法是將鑄件加熱到500～600℃，保溫一段時(shí)間，隨爐冷至150～200℃后出爐空冷。2）石墨化退火鑄件冷卻時(shí)，表層及薄壁處冷卻速度較快，易出現(xiàn)白口組織，使鑄件的硬度和脆性增加，難以切削加工。退火使?jié)B碳體在高溫下分解為石墨，以便降低硬度。石墨化退火一般是將鑄件加熱到850～950℃，保溫2～5h，然后隨爐冷卻至400～500℃后出爐空冷。3）表面淬火有些鑄件，如機(jī)床導(dǎo)軌、缸體內(nèi)壁等，需要提高表面硬度和耐磨性，可進(jìn)行表面淬火處理。淬火后表面硬度可達(dá)50～55HRC。4．灰鑄鐵的牌號及用途（二）球墨鑄鐵球墨鑄鐵是鐵液經(jīng)球化處理而不是在凝固后經(jīng)過熱處理，使石墨大部分或全部呈球狀，有時(shí)少量為團(tuán)絮狀的鑄鐵。將一定量的球化劑加入鐵液中使石墨球化的過程稱為球化處理。1．球墨鑄鐵的成分、組織和性能按基體組織不同，常用的球墨鑄鐵有鐵素體球墨鑄鐵、珠光體球墨鑄鐵和鐵素體-珠光體球墨鑄鐵等，如圖5-7所示。通過合金化和熱處理，還可獲得下貝氏體、馬氏體、托氏體、索氏體和奧氏體等基體組織的球墨鑄鐵。（a）鐵素體球墨鑄鐵

（b）珠光體球墨鑄鐵

（c）鐵素體-珠光體球墨鑄鐵圖5-7三種常用球墨鑄鐵的顯微組織由于球狀石墨對基體的割裂作用和引起應(yīng)力集中的現(xiàn)象明顯減小，球墨鑄鐵的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、塑性、沖擊韌性等大大提高，并具有良好的耐磨性、減振性和工藝性等。石墨球越圓整、直徑越細(xì)小，分布越均勻，其力學(xué)性能越高。球墨鑄鐵的屈強(qiáng)比比鋼約高1倍，疲勞強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度可接近一般中碳鋼，耐磨性優(yōu)于表面淬火鋼，鑄造性能優(yōu)于鑄鋼，加工性能幾乎可與灰鑄鐵媲美。但球墨鑄鐵的過冷傾向較大，易產(chǎn)生白口組織，而且其液態(tài)收縮和凝固收縮較大，易形成縮孔和縮松，故其熔煉工藝和鑄造工藝都比灰鑄鐵要求高。2．球墨鑄鐵的熱處理因球狀石墨對基體的割裂作用較小，故球墨鑄鐵的力學(xué)性能主要取決于基體組織，因此，可通過熱處理改善球墨鑄鐵的力學(xué)性能。球墨鑄鐵的常用熱處理有退火、正火、調(diào)質(zhì)和等溫淬火等。1）退火退火的目的在于獲得鐵素體基體。高溫退火：鑄態(tài)組織中存在滲碳體時(shí)，進(jìn)行高溫退火。高溫退火時(shí)，加熱至900～950℃，保溫2～5h，隨爐冷至600℃左右出爐空冷。低溫退火：鑄態(tài)組織為鐵素體、珠光體和石墨，沒有滲碳體時(shí)，進(jìn)行低溫退火。低溫退火時(shí)，加熱至720～760℃，保溫3～6h，隨爐冷至600℃左右出爐空冷。2）正火正火的目的是為了增加基體中珠光體的數(shù)量（使其占基體組織的75%以上），并細(xì)化組織，提高球墨鑄鐵的強(qiáng)度和耐磨性。高溫正火：加熱至880～920℃，保溫3h，然后空冷。為了提高基體中珠光體的含量，還常采用風(fēng)冷、噴霧冷卻等加快冷卻速度的方法，以保證鑄件的強(qiáng)度。低溫正火：加熱至820～860℃，保溫一定時(shí)間，使基體部分轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，部分保留為鐵素體，空冷后得到珠光體和少量破碎鐵素體的基體。這種組織的球墨鑄鐵強(qiáng)度稍低一些，但塑性和韌性較好。3）調(diào)質(zhì)對要求綜合力學(xué)性能較高的球墨鑄鐵件，如連桿、曲軸等，可采用調(diào)質(zhì)處理。其工藝為：加熱至850～900℃，使基體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體后，在油中淬火得到馬氏體，然后經(jīng)550～600℃回火，空冷，獲得回火索氏體基體組織。4）等溫淬火對一些綜合力學(xué)性能要求高、外形比較復(fù)雜、熱處理易變形或開裂的零件，可采用等溫淬火。其工藝為：加熱至840～900℃，保溫后迅速放入250～350℃的鹽浴中等溫30～90min，然后空冷。3．球墨鑄鐵的牌號及用途（三）可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵又稱瑪鋼，是由白口鑄鐵通過石墨化或脫碳退火處理，改變其金相組織成分而獲得的有較高韌性的鑄鐵。1．可鍛鑄鐵的成分、組織和性能可鍛鑄鐵的生產(chǎn)過程分為兩步：第一步先鑄成白口鑄鐵件；第二步再經(jīng)高溫長時(shí)間的可鍛化退火，使?jié)B碳體分解為團(tuán)絮狀石墨。（a）鐵素體可鍛鑄鐵

（b）珠光體可鍛鑄鐵圖5-8可鍛鑄鐵的顯微組織可鍛鑄鐵中的石墨呈團(tuán)絮狀，其較之片狀石墨對基體的割裂作用要小得多?？慑戣T鐵主要用于制造形狀復(fù)雜，要求有一定塑性和韌性，承受沖擊和振動(dòng)的薄壁零件，如汽車、拖拉機(jī)的后橋外殼，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，低壓閥門等。2．可鍛鑄鐵的牌號及用途（四）蠕墨鑄鐵蠕墨鑄鐵是在一定成分的鐵水中加入適量的蠕化劑而煉成的，其鑄造方法和工藝與球墨鑄鐵基本相同。因其石墨形態(tài)類似蠕蟲狀，故稱為蠕墨鑄鐵。目前主要采用的蠕化劑有鎂鈦合金、稀土鎂鈦合金或稀土鎂鈣合金等。1．蠕墨鑄鐵的成分、組織和性能蠕墨鑄鐵的組織由金屬基體和石墨組成，如圖5-9所示。圖5-9蠕墨鑄鐵的顯微組織蠕墨鑄鐵的性能介于灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間，其強(qiáng)度接近于球墨鑄鐵，并具有一定的韌性和較高的耐磨性；同時(shí)，耐熱疲勞性、減振性、鑄造性和切削加工性優(yōu)于球墨鑄鐵，與灰鑄鐵相近。2．蠕墨鑄鐵的牌號及用途三、特殊性能鑄鐵除常用鑄鐵外，生產(chǎn)中還會使用特殊性能鑄鐵，這些鑄鐵大多是指在普通鑄鐵中加入一些合金元素而獲得的具有較高力學(xué)性能或某些特殊性能的鑄鐵，因此又稱為合金鑄鐵。按使用性能不同，特殊性能鑄鐵可分為耐磨鑄鐵、耐熱鑄鐵和耐蝕鑄鐵等。（一）耐磨鑄鐵耐磨鑄鐵可根據(jù)工作條件分為減摩鑄鐵和抗磨鑄鐵兩大類。1．減摩鑄鐵減摩鑄鐵用于在潤滑條件下工作的零件，如機(jī)床導(dǎo)軌、氣缸套、活塞環(huán)、軸承等，其組織為在軟基體上分布硬質(zhì)點(diǎn)。常用的減摩鑄鐵有珠光體灰鑄鐵和高磷鑄鐵等。2．抗磨鑄鐵抗磨鑄鐵主要用于在干摩擦、磨粒磨損條件下工作的零件，如軋輥、犁鏵、拋丸機(jī)葉片、球磨機(jī)磨球等，它具有高硬度和均勻的組織。常用的抗磨鑄鐵有冷硬鑄鐵和抗磨白口鑄鐵等。（二）耐熱鑄鐵耐熱鑄鐵主要用于在高溫下工作的零件，如爐底板、換熱器、坩堝、爐內(nèi)運(yùn)輸鏈條和鋼錠模等。為提高耐熱性，可向鑄鐵中加入Al，Si，Cr等合金元素來提高鑄鐵的抗氧化和抗生長能力。其作用是：①在鑄鐵表面形成致密的氧化膜，保護(hù)內(nèi)層不被氧化；②提高鑄鐵的固態(tài)相變溫度，使基體變?yōu)閱蜗噼F素體，不發(fā)生石墨化過程。（三）耐蝕鑄鐵耐蝕鑄鐵可分為高硅耐蝕鑄鐵、高鋁耐蝕鑄鐵、高鉻耐蝕鑄鐵等，主要用于化工部門，如管道、容器、閥門、泵等。常在鑄鐵中加入一定量的Cr，Al，Si，Mo，Cu，Ni等合金元素，使其表面形成一層致密的氧化膜，從而提高鑄鐵的耐蝕性。第三節(jié)有色金屬及其他材料通常把鋼鐵材料以外的其他金屬統(tǒng)稱為有色金屬。有色金屬具有特殊的電、磁、熱性能，以及較高的耐蝕性和比強(qiáng)度，廣泛應(yīng)用于機(jī)電、儀表，特別是航空、航天等工業(yè)上。一、鋁及鋁合金（一）工業(yè)純鋁工業(yè)中使用的純鋁呈銀白色，具有面心立方晶格，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，無磁性，熔點(diǎn)為660℃，密度為2.7g/cm3。純鋁的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性好，僅次于銀和銅。鋁可與空氣中的氧迅速作用，在表面生成一層致密的Al2O3薄膜，隔絕空氣，因此在大氣中有良好的耐蝕性。（二）鋁合金純鋁的強(qiáng)度較低，不宜用來制造承受載荷的結(jié)構(gòu)零件。1．鋁合金的分類根據(jù)合金元素的含量和加工工藝的特點(diǎn)不同，鋁合金可分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩大類。其分類方法是根據(jù)二元鋁合金相圖來確定的，如圖5-10所示。圖5-10二元鋁合金相圖2．鋁合金的時(shí)效強(qiáng)化將成分位于點(diǎn)F和點(diǎn)D之間的合金加熱到α相區(qū)，經(jīng)保溫，獲得單相α固溶體，然后迅速水冷，使第二相來不及從α固溶體中析出，在室溫下得到過飽和的α固溶體，這種處理方法稱為固溶處理。在自然時(shí)效的初始階段，鋁合金的強(qiáng)度、硬度變化不大，這段時(shí)間稱為孕育期。鋁合金在孕育期內(nèi)有很好的塑性，可進(jìn)行各種冷變形加工（如鉚接、彎曲等）。超過孕育期后，合金的強(qiáng)度、硬度迅速增高。二、銅及銅合金（一）工業(yè)純銅工業(yè)純銅呈紫紅色，俗稱紫銅，其密度為8.9g/cm3，熔點(diǎn)為1083℃，具有面心立方晶格，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，無磁性。純銅的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性好，僅次于銀；在大氣和淡水中有很好的耐蝕性，塑性、韌性及焊接性良好，適宜進(jìn)行冷熱壓力加工；但強(qiáng)度、硬度較低，不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，只能通過冷變形強(qiáng)化。但冷變形強(qiáng)化后，塑性會明顯降低。（二）銅合金由于純銅的強(qiáng)度較低，為了滿足制作結(jié)構(gòu)件的要求，需要對純銅進(jìn)行合金化處理，即加入Zn，Al，Sn，Ni等合金元素。這些合金元素在銅中的固溶度均大于9.4%，可產(chǎn)生顯著的固溶強(qiáng)化效果，得到強(qiáng)度、塑性均較好的合金。根據(jù)生產(chǎn)方法不同，銅合金可分為加工銅合金和鑄造銅合金；根據(jù)化學(xué)成分不同，銅合金可分為黃銅、青銅和白銅。黃銅是指銅和鋅為主的合金；白銅是指銅和鎳為主的合金；早期青銅是指銅與錫為主的合金，現(xiàn)在則把除鋅和鎳以外的其他元素為主的銅合金統(tǒng)稱為青銅。1．黃銅黃銅是指以Zn為主要添加元素的銅合金。1）普通黃銅普通黃銅是銅鋅二元合金。普通黃銅力學(xué)性能與鋅的含量有關(guān)，如圖5-11所示。圖5-11黃銅的組織和性能與含鋅量的關(guān)系2）特殊黃銅特殊黃銅是在普通黃銅的基礎(chǔ)上加入Pb，Al，Sn，Mn，Si等元素所形成的銅合金，這些特殊黃銅可相應(yīng)地稱為鉛黃銅、鋁黃銅、錫黃銅等。加工特殊黃銅中的合金元素較少，塑性較高；鑄造特殊黃銅中的合金元素較多，強(qiáng)度和鑄造性能好。2．青銅青銅是綜合性能最好的銅合金，因該類合金最早使用的銅錫合金呈青黑色而得名。青銅種類較多，常見的有錫青銅、鋁青銅、鈹青銅等。加工青銅的牌號由“Q+主加元素符號+數(shù)字-數(shù)字”組成。1）錫青銅以錫為主要添加元素的銅基合金稱為錫青銅。錫青銅的耐磨性好，無磁性，無冷脆現(xiàn)象，在大氣、海水、淡水及蒸汽中的抗蝕性比純銅和黃銅好，但在酸和氨水中的抗蝕性較差。2）鋁青銅鋁青銅具有較高的耐熱性、耐磨性、強(qiáng)度、硬度和韌性，并能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，其在大氣、海水、碳酸及大多數(shù)有機(jī)酸中的耐蝕性均比黃銅和錫青銅高。3）鈹青銅以鈹為主要添加元素的銅合金稱為鈹青銅。工業(yè)用鈹青銅的鈹含量一般在1.7%～2.5%之間。經(jīng)固溶處理和時(shí)效后，鈹青銅具有很高的強(qiáng)度、硬度和彈性極限。鈹青銅主要用于制造儀器、儀表上的重要彈性元件和耐蝕、耐磨零件，如儀表齒輪、彈簧、航海羅盤、電焊機(jī)電極、防爆工具等。3．白銅簡單白銅具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)良的冷熱加工性能，主要用于制造船舶儀器零件、化工機(jī)械零件及醫(yī)療器械等。特殊白銅主要為鋅白銅和錳白銅。其中，錳白銅具有電阻高、電阻溫度系數(shù)小等特點(diǎn)，是制造熱電偶絲的理想材料。三、粉末冶金材料粉末冶金材料是由幾種金屬粉末或金屬與非金屬粉末混勻壓制成形，并經(jīng)過燒結(jié)而獲得的材料。（一）粉末冶金粉末冶金法和金屬的熔煉與鑄造有本質(zhì)的不同，它不用熔煉和澆鑄，而用金屬粉末（包括純金屬、合金和金屬化合物粉末）作原料，經(jīng)混勻壓制成形和燒結(jié)制成合金材料或制品，這種生產(chǎn)過程稱為粉末冶金。（二）粉末冶金材料的應(yīng)用近年來，粉末冶金材料應(yīng)用很廣。在普通機(jī)器制造業(yè)中，粉末冶金常用于制造減摩材料、結(jié)構(gòu)材料、摩擦材料及硬質(zhì)合金等。在其他工業(yè)部門中，粉末冶金用以制造難熔金屬材料（如高溫合金、鎢絲等）、特殊電磁性能材料（如電器觸頭、硬磁材料、軟磁材料等）、過濾材料（如空氣過濾材料、水凈化材料、液體燃料、潤滑油的過濾材料以及細(xì)菌的過濾材料等）。1．燒結(jié)減摩材料在燒結(jié)減摩材料中最常用的是多孔軸承，它是將粉末壓制成軸承后，再浸在潤滑油中，由于粉末冶金材料具有多孔性，在毛細(xì)現(xiàn)象作用下，可吸附大量潤滑油（一般含油率為12%～30%），又稱為含油軸承。2．燒結(jié)結(jié)構(gòu)材料燒結(jié)結(jié)構(gòu)材料是以碳鋼粉末或合金鋼粉末為主要原料，并采用粉末冶金方法制造成的金屬材料。這類材料制造的結(jié)構(gòu)件的優(yōu)點(diǎn)是：制品的精度較高，表面光潔，不需或只需少量切削加工；制品還可以通過熱處理強(qiáng)化和提高耐磨性；制品多孔，可浸漬潤滑油，改善摩擦條件，減少磨損，并有減振、消聲的作用。3．燒結(jié)摩擦材料燒結(jié)摩擦材料廣泛應(yīng)用于制作機(jī)器上的制動(dòng)器與離合器。制動(dòng)器與離合器都是利用材料間的摩擦力傳遞能量，尤其是在制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)器要吸收大量的動(dòng)能，導(dǎo)致摩擦表面溫度急劇上升，故摩擦材料極易磨損。因此，對摩擦材料性能的要求是：較大的摩擦系數(shù)，較好的耐磨性，足夠的強(qiáng)度，良好的磨合性、抗咬合性等。4．硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金是以碳化鎢（WC）或碳化鈦（TiC）等高熔點(diǎn)、高硬度的碳化物為基體，并加入鈷（或鎳）作為黏結(jié)劑的一種粉末冶金材料。硬質(zhì)合金硬度高、紅硬性高、耐磨性好，硬質(zhì)合金刀具的切削速度、耐磨性與壽命都顯著高于高速鋼。金屬陶瓷硬質(zhì)合金：是指由一些難熔的金屬碳化物粉末（如WC，TiC等）和黏結(jié)劑（如Co，Ni等）混合加壓成形后燒結(jié)而成的合金，因其制造方法與陶瓷燒結(jié)相似而得名。鋼結(jié)硬質(zhì)合金：是指將碳化鈦或碳化鎢以及合金鋼粉末（黏結(jié)劑）作為原材料，用粉末冶金法制成的硬質(zhì)合金，它具有鋼材的加工性，經(jīng)退火后可進(jìn)行機(jī)械加工，也可進(jìn)行鍛造和焊接。四、高分子材料根據(jù)來源不同，高分子材料可分為天然高分子材料和合成高分子材料。天然高分子材料包括天然橡膠、纖維素、蠶絲等；合成高分子材料的種類很多，如合成塑料、合成橡膠、合成纖維等。根據(jù)物理形態(tài)和用途不同，高分子材料可分為塑料、橡膠、纖維、黏合劑、功能高分子材料等。（一）塑料1．塑料的組成塑料是指以樹脂為主要成分，再加入一些添加劑塑制成形的高分子材料。樹脂：是塑料的主要組分，工業(yè)中用的樹脂主要是合成樹脂。合成樹脂是由小分子化合物通過聚合反應(yīng)合成的高分子化合物，如酚醛樹脂等。添加劑：是為改善塑料的使用性能或成形工藝性能而加入的其他輔助組分。其中，填料主要起增強(qiáng)作用；增塑劑可提高樹脂的可塑性和柔性，降低脆性；穩(wěn)定劑可增強(qiáng)塑料對光、熱、氧等老化作用的抵抗力，延長使用壽命；固化劑可通過交聯(lián)使樹脂具有體型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。2．塑料的分類1）按樹脂在加熱和冷卻時(shí)所表現(xiàn)的性質(zhì)分類按樹脂在加熱和冷卻時(shí)所表現(xiàn)的性質(zhì)不同，塑料可分為熱塑性塑料和熱固性塑料。熱塑性塑料：分子結(jié)構(gòu)為鏈狀的線型結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是具有熱塑性，即加熱時(shí)軟化，可塑造成形，冷卻后變硬，且該過程可反復(fù)進(jìn)行。熱固性塑料：分子結(jié)構(gòu)為體型結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是具有熱固性，即初加熱時(shí)軟化，可塑造成形，但固化后再加熱將不再軟化，也不溶于溶劑。2）按應(yīng)用范圍分類按應(yīng)用范圍不同，塑料可分為通用塑料、工程塑料和特種塑料。通用塑料：產(chǎn)量大（約占塑料總產(chǎn)量的75%）、用途廣、價(jià)格低，主要用于生活用品、包裝材料和一般小型零件。常用的通用塑料有聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、酚醛樹脂等。工程塑料：具有良好的綜合工程性能（包括力學(xué)性能、耐熱耐寒性能、耐蝕性和絕緣性能等），主要用于制造工程結(jié)構(gòu)件和機(jī)械零部件等。常用的工程塑料有聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯和ABS等。特種塑料：是指具有某些特殊性能和特殊用途的塑料，如耐高溫塑料等。這類塑料產(chǎn)量少，價(jià)格高，只適用于某些特殊的場合。3．塑料的性能特點(diǎn)與金屬相比，塑料的密度小，比強(qiáng)度高，化學(xué)穩(wěn)定性好，電絕緣性優(yōu)異，減摩、耐磨性好，消聲和吸振性好，易加工成形；但其強(qiáng)度和剛度低，耐熱性差，易燃燒、易老化，導(dǎo)熱性差，熱膨脹系數(shù)大。4．塑料的應(yīng)用塑料廣泛應(yīng)用于制造一般結(jié)構(gòu)件、普通傳動(dòng)零件、摩擦零件、耐腐蝕零件和電器零件等。（二）合成橡膠1．橡膠的組成橡膠是以生膠為原料，加入適量配合劑，經(jīng)硫化后所組成的高分子彈性體。生膠：是指未加配合劑的天然膠或合成膠，它在橡膠制備過程中不但起黏結(jié)其他配合劑的作用，而且對橡膠制品的性能起決定作用。配合劑：是為改善和提高橡膠制品的性能而加入的物質(zhì)。2．橡膠的分類1）按原料來源分類根據(jù)原料來源不同，橡膠可分為天然橡膠和合成橡膠。天然橡膠：是橡膠樹中流出的乳膠經(jīng)凝固、干燥、加壓制成固態(tài)生膠，再經(jīng)硫化處理獲得的高分子材料。合成橡膠：是以石油產(chǎn)品為主要原料，經(jīng)人工合成制得的高分子材料。2）按應(yīng)用范圍分類按應(yīng)用范圍不同，橡膠可分為通用橡膠和特種橡膠。通用橡膠：性能和天然橡膠接近，可以代替天然橡膠，如丁苯橡膠、順丁橡膠等。特種橡膠：是指具有特殊性能、作特殊應(yīng)用的橡膠，如丁腈橡膠、硅橡膠等。3．橡膠的性能特點(diǎn)橡膠的彈性很高，其彈性變形量為100%～1000%，而且回彈性好，回彈速度快；吸振能力強(qiáng)；耐磨性、隔聲性和絕緣性好，不透氣、不透水；有一定的耐蝕性和足夠的強(qiáng)度。4．合成橡膠的應(yīng)用合成橡膠主要有順丁橡膠、丁苯橡膠、丁腈橡膠等，與天然橡膠一樣，廣泛用于制造輪胎、膠帶、膠管等。（三）合成纖維1．纖維的定義凡能保持長度比本身直徑大100倍的均勻條狀或絲狀高分子材料均稱為纖